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Die Anmeldung betrifft das Gebiet des Leistungstransfers zwischen einem Fahrzeug und einem stationären Versorgungsnetz, insbesondere zum Aufladen des Fahrzeugs oder zum Rückspeisen von Leistung in das Versorgungsnetz.
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Es ist bekannt, elektrische Komponenten des Fahrzeugs beim Laden eines Akkumulators des Fahrzeugs zu verwenden. Aus der Druckschrift
WO 2016/180707 A1 ist etwa bekannt, dass beim Aufladen eines Fahrzeugs Wicklungen einer elektrischen Maschine des Fahrzeugs in Serie innerhalb des Ladepfads geschaltet sind, um so eine Filterwirkung zu erzielen. Ein Sperraktuator mit einem Sperrriegel arretiert den Rotor der elektrischen Maschine, während dessen die Wicklungen zur Übertragung von Ladestrom verwendet werden.
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Da zum Steuern der Ladeleistung üblicherweise Stromwandler verwendet werden, die zur Anpassung der übertragenden Effektivleistung das zu übertragende Leistungssignal etwa zur Pulsweitenmodulation schalten, ergibt sich insbesondere im Hinblick auf die hohen fließenden Ströme das Problem der dadurch erzeugten Störungen, sodass eine Aufgabe der Erfindung ist, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich diese Störungen besser unterdrücken lassen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Antriebsstrang und das Verfahren gemäß der beigefügten unabhängigen Ansprüche, wobei sich weitere Merkmale, Eigenschaften, Ausführungsformen und Aspekte mit der Beschreibung und der beigefügten Figur ergeben.
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Es wird vorgeschlagen, während dem Laden oder Rückspeisen elektrische Leistung durch die elektrische Maschine des Antriebsstrangs hindurch zu übertragen, wodurch die Wicklungen der elektrischen Maschine als Tiefpassfilter arbeiten. Zusätzlich rotiert die elektrische Maschine (bzw. deren Rotor) während dieser Übertragung von Leistung. Durch die Trägheit des Rotors und durch die Wechselwirkung zwischen dem rotierenden Rotor und dem Stator der elektrischen Maschine ergibt sich eine verringerte, sich auf das Versorgungsnetz auswirkende Störung durch den Antriebsstrang. Dadurch werden Störungen, die sich durch die Wechselwirkung zwischen Antriebsstrang und Versorgungsnetz ergeben, signifikant verringert, insbesondere für das Versorgungsnetz. Die Masse des Rotors trägt signifikant zur Trägheit bei, sodass der Antriebsstrang auf die große Trägheit bei Netzfrequenz Variationen in dem Versorgungsnetz angepasst wird.
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Durch Ansteuerung rotiert zwar die elektrische Maschine, jedoch wandelt diese keine elektrische Leistung in mechanische Energie um (abgesehen von Reibungs- oder Luftwiderstandsverlusten). Es wird ein Leistungsfluss durch die elektrische Maschine hindurch ausgeführt, wobei die der elektrischen Maschine zugeführte elektrische Leistung der von der elektrischen Maschine abgegebenen elektrischen Leistung entspricht (abgesehen von Reibungs- oder Luftwiderstandsverlusten) . Die elektrische Leistung wird durch eine Wicklung, mehrere Wicklungen oder alle Wicklungen der elektrischen Maschine hindurch übertragen.
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Es ist vorgesehen, dass ein Akkumulator (fahrzeugseitig, insbesondere der Traktionsakkumulator) über eine elektrische Maschine (insbesondere zur Traktion des Fahrzeugs) an einen Energieübertragungsanschluss angeschlossen ist. Der Energieübertragungsanschluss ist fahrzeugseitig und dient dem Anschluss an ein stationäres Versorgungsnetz, beispielsweise an eine Ladestation oder auch an eine stationäre Energiequelle bzw. Energiesenke. Der Energieübertragungsanschluss ist insbesondere eine Ladebuchse, beispielsweise ein Plug-in-Anschluss (fahrzeugseitig) , der einem Standard entsprechen kann, beispielsweise dem SAE J 1772, dem IEC 62196 oder auch CEE 7/3 oder 7/4. Es können auch drahtlose, insbesondere induktive Energieübertragungsanschlüsse verwendet werden, etwa in Form einer Sekundärspule, die insbesondere Teil eines Resonators ist. Der Energieübertragungsanschluss ist insbesondere für Wechselstrom geeignet.
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Es ist ein Inverter vorgesehen, über den der Akkumulator mit der elektrischen Maschine verbunden ist. Der Inverter ist vorzugsweise bidirektional ausgestaltet. Sowohl die elektrische Maschine als auch der Energieübertragungsanschluss kann mehrphasig ausgestaltet sein, beispielsweise dreiphasig. Der Energieübertragungsanschluss kann die gleiche Phasenanzahl wie die elektrische Maschine aufweisen, wobei jedoch auch vorgesehen sein kann, dass sich die Phasenanzahl unterscheiden kann. Beispielsweise kann der Energieübertragungsanschluss zwei- oder dreiphasig ausgestaltet sein, während die elektrische Maschine drei- oder sechsphasig ausgestaltet sein kann. Die Phasenzahl des Inverters entspricht vorzugsweise der Phasenzahl der elektrischen Maschine.
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Beim Antrieb der elektrischen Maschine wird der Inverter angesteuert, um aus der Gleichspannung des Akkumulators ein Drehstrom für die elektrische Maschine zu erzeugen. Hierzu kann der Inverter gemäß der Anzahl der Phasen mehrere Vollwellenbrücken aufweisen, etwa eine B6C-Brücke, oder kann als H-Brückenschaltung ausgestaltet sein. Im Falle einer H-Brückenschaltung kann im Querzweig jeder Brücke eine Induktivität vorgesehen sein, während die elektrische Maschine seriell zu den Brücken geschaltet ist. Beim Laden oder auch beim Rekuperieren wird der Inverter verwendet, um aus dem Leistungssignal an Energieübertragungsanschluss eine (getaktete) Spannung zu erzeugen, die dem Akkumulator zugeführt wird. Hierbei ist der Inverter zur Steuerung des Leistungsflusses eingerichtet, insbesondere zur Steuerung eines elektrischen Leistung, oder eines Stroms, der dem Akkumulator zugeführt wird, und/oder ist zur Steuerung der (effektiven) Spannung ausgestaltet, mit der Akkumulator geladen wird.
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Es ist eine Steuerung vorgesehen, die ansteuernd mit dem Inverter verbunden ist. Die Steuerung ist eingerichtet, einen Leistungsfluss zwischen dem Energieübertragungsanschluss und dem Akkumulator zu steuern, insbesondere die Höhe der Leistung, die Höhe des Stroms oder auch die Spannung, die dem vollen Inverter an dem Akkumulator angelegt wird. Der Leistungsfluss, zu dessen Ausgestaltung die Steuerung eingerichtet ist, führt durch die elektrische Maschine hindurch, insbesondere durch eine oder mehrere Wicklungen der elektrischen Maschine. Dadurch kann die Induktivität der Wicklungen der elektrischen Maschine zur Tiefpassfilterung des Leistungsflusses (und des damit einhergehenden Stromflusses) verwendet werden. Die Steuerung ist eingerichtet, während der Steuerung des Leistungsflusses eine Rotation der elektrischen Maschine zu bewirken. Hierzu ist die Steuerung ausgestaltet, um den Strom bzw. die Spannung durch die Wicklungen der elektrischen Maschine derart einzustellen, dass sich ein Drehfeld für die elektrische Maschine ergibt. Dadurch kann die elektrische Maschine rotieren, während durch sie hindurch Leistung fließt, um den Akkumulator aufzuladen, oder um Energie vom Akkumulator zum Energieübertragungsanschluss (und in das stationäre Versorgungsnetz hinein) zurückzuspeisen. Die Rotation ist hierbei im Wesentlichen drehmomentfrei. Mit anderen Worten läuft die elektrische Maschine leer, während elektrische Leistung durch die elektrische Maschine fließt. Die Leistung fließt hierbei durch zumindest eine der Wicklungen hindurch; die mindestens eine Wicklung wird seriell durchflossen, insbesondere während die mindestens eine Wicklung von den anderen Wicklungen getrennt ist oder die Wicklungen untereinander getrennt sind (d.h. während eine Konfiguration der elektrischen Maschine aufgelöst ist).
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Die Steuerung ist insbesondere ausgestattet, im Lade- oder Rückspeisemodus des Antriebsstrangs in der elektrischen Maschine ein Drehfeld zu erzeugen, bzw. unterschiedliche Phasen bzw. Wicklungen der elektrischen Maschine mit unterschiedlichen Signalen zu beaufschlagen. Die Steuerung kann eingerichtet sein, im Lade- oder Rückspeisemodus in den Wicklungen der elektrischen Maschine Wechselströme oder Wechselstromkomponenten zu erzeugen, die zu einer Phase versetzt sind, wobei der Phasenversatz vorzugsweise den geometrischen Winkelversatz der betreffenden Wicklungen zueinander entspricht. Vorzugsweise überwiegt der Blindanteil den Wirkanteil der fließenden Ströme, wobei insbesondere im Wesentlichen nur ein Blindanteil und kein Wirkanteil (während des Leistungsflusses) fließt. Der Wirkanteil geht vorzugsweise nicht über einen Betrag hinaus, der sich durch Reibung und Luftwiderstand der elektrischen Maschine und ggf. der betreffenden Lager ergibt. Die Steuerung zielt darauf ab, unterschiedliche Ströme in unterschiedlichen Phasen der elektrischen Maschine (bzw. in unterschiedlichen Wicklungen) während dem Laden oder dem Rückspeisen zu erzeugen, im direkten Gegensatz zu Ansätzen des Stands der Technik, bei denen die Differenz zwischen den Phasen möglichst gering ist, um eine Rotation der elektrischen Maschine zu vermeiden.
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Die Steuerung ist vorzugsweise eingerichtet, eine Phasenlage, eine Frequenz, eine Spannung, eine Phasenfolge, eine Signalform, einen Leistungsfaktor und/oder einen Strom an dem Energieübertragungsanschluss einzustellen, insbesondere im Rahmen einer Regelung. Die Regelung, welche von der Steuerung realisiert wird, hat vorzugsweise ein Regelungsziel, das eine Vorgabe einer stationären Versorgungsnetzes wiedergibt. Die Vorgabe des stationären Versorgungsnetzes entspricht der Frequenz und insbesondere der Phasenlage und gegebenenfalls auch der Spannungshöhe des stationären Versorgungsnetzes, wobei das Regelungsziel vorzugsweise dahingehend besteht, diese Betriebsgrößen mittels des Inverters (und der Steuerung) möglichst genau an die betreffenden Betriebsgrößen des stationären Versorgungsnetzes anzupassen. Die Vorgabe kann ein oder mehreren Größen entsprechen, insbesondere der Phasenlage zwischen Strom und Spannung, der Frequenz und der Spannung, insbesondere der effektiven Spannung. Ferner ist die Steuerung vorzugsweise eingerichtet, den Inverter derart anzusteuern, dass dessen Ausgabe möglichst genau der Signalform des Versorgungsnetzes entspricht, beispielsweise einem Sinussignal. Das Regelungsziel und somit die Vorgabe kann somit mindestens eine Sollgröße sein, die der aktuellen Größe im Versorgungsnetz entspricht, die Spannung, die Frequenz, die Phasenlage, und/oder die Signalform. Als Phasenlage wird hierbei insbesondere die Phase der Momentanspannung als Sinussignal betrachtet. Darüber hinaus kann jedoch auch die Steuerung eingerichtet sein, elektrische Leistung gemäß einem vorgegebenen Leistungsfaktor an dem Energieübertragungsanschluss anzunehmen oder dort abzugeben.
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Die Steuerung weist vorzugsweise einen Eingang auf, an dem mindestens eine Betriebsgröße eines stationären Versorgungsnetzes oder des Energieübertragungsanschlusses empfangen werden kann. Hierbei kann an dem Energieübertragungsanschluss ein Sensor vorgesehen sein, der zumindest eine Betriebsgröße erfasst, beispielsweise eine Spannung, einen Strom, eine Leistung, eine Phasenlage, eine Frequenz und/oder ein Leistungsfaktor. Insbesondere ist ein Sensor vorgesehen, der die Frequenz und die Phasenlage erfassen kann, um so diese Größen als Betriebsgrößen an die Steuerung weiterzugeben, insbesondere als Vorgabe des Versorgungsnetzes. Der Eingang der Steuerung kann ferner eingerichtet sein, Sollgrößen von einer anderen Komponente zu erfassen, insbesondere eine Komponente des Antriebsstranges, beispielsweise von einer Energiemanagementsteuerung oder von einer Batteriemanagementvorrichtung des Akkumulators.
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Diese empfangene Betriebsgröße wird vorzugsweise verwendet, um zumindest eine Betriebsgröße, die durch den Inverter eingestellt werden kann, an eine betreffende Betriebsgröße des stationären Versorgungsnetzes anzupassen, insbesondere die Phasenlage und/oder die Frequenz, oder auch gegebenenfalls die Spannung.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Steuerung eingerichtet ist, den Leistungsfluss vorzubereiten, das heißt Betriebsgrößen des Inverters einzustellen, bevor der Leistungsfluss beginnt. Die Steuerung kann somit eingerichtet sein, den Leistungsfluss vorzubereiten durch Anpassen mindestens einer Betriebsgröße der elektrischen Maschine und/oder des Inverters an mindestens eine betreffende Betriebsgröße des stationären Versorgungsnetzes bzw. an eine Vorgabe des stationären Versorgungsnetzes. Hierbei kann insbesondere als Betriebsgröße der elektrischen Maschine deren Drehzahl und/oder deren Phasenlage (das heißt der Verlauf des Absolutwinkels des Rotors) angepasst werden, gegebenenfalls auch deren Rotationsrichtung. Der Leistungsfluss wird vorbereitet, um zumindest eine Betriebsgröße, die vom Inverter an demjenigen Ende der elektrischen Maschine eingestellt wird, welches dem Energieübertragungsanschluss zugewandt ist, an die betreffende aktuelle Betriebsgröße des stationären Versorgungsnetzes anzupassen, bevor der Leistungsfluss hergestellt wird, das heißt bevor der Inverter mit dem Energieübertragungsanschluss verbunden wird.
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Die Steuerung ist eingerichtet, den Inverter elektrisch getrennt von dem Energieübertragungsanschluss vorzusehen, während der Leistungsfluss vorbereitet wird. Hierbei besteht eine Netzanschlussschaltung zwischen der elektrischen Maschine und dem Energieübertragungsanschluss, die vorzugsweise von der Steuerung angesteuert wird, und die eingerichtet ist, den Energieübertragungsanschluss gesteuert mit der elektrischen Maschine (bzw. einem Ende der elektrischen Maschine, das heißt einem Ende der Wicklungen der elektrischen Maschine) zu verbinden.
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Der Antriebsstrang umfasst somit vorzugsweise eine Netzanschlussschaltung. Diese ist zwischen dem Energieübertragungsanschluss und der elektrischen Maschine zwischengeschaltet. Die Netzanschlussschaltung umfasst insbesondere eine Schaltvorrichtung, mit der sich die elektrische Maschine von dem Energieübertragungsanschluss gesteuert trennen lässt. Die Steuerung ist ansteuernd mit der Netzanschlussschaltung verbunden. Die Steuerung ist eingerichtet, die Netzanschlussschaltung insbesondere deren Schaltvorrichtung zu schließen, wenn zumindest ein Unterschied zwischen den an entgegengesetzten Enden der Netzanschlussschaltung vorliegenden Betriebsgrößen unter einer vorgegebenen Grenze liegt. Der Unterschied betrifft insbesondere eine Differenz in der Phasenlage, Spannung und/oder Frequenz (gegebenenfalls auch in der Signalform) zwischen dem Energieübertragungsanschluss und somit dem Versorgungsnetz, und dem Ende der elektrischen Maschine, das dem Energieübertragungsanschluss zugewandt ist bzw. mit der Netzanschlussschaltung verbunden ist.
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Die Netzanschlussschaltung umfasst wie erwähnt vorzugsweise eine Schaltvorrichtung. Die Schaltvorrichtung kann insbesondere mindestens einen Konfigurationsschalter aufweisen, der zwischen Enden verschiedener Wicklungen angeschlossen ist. Der mindestens eine Konfigurationsschalter ist eingerichtet, in einer ersten Position die Wicklungen der elektrischen Maschine gemäß einer vorgegebenen Konfiguration (Stern oder Dreieck) zusammenzuschalten, und in einer zweiten Position zumindest eine Wicklung von zumindest einer weiteren Wicklung abzutrennen, insbesondere die Enden der verschiedenen Wicklungen voneinander zu trennen.
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Alternativ umfasst die Netzanschlussschaltung und somit die Schaltvorrichtung mindestens einen Trennschalter, der den Energieübertragungsanschluss schaltbar mit der elektrischen Maschine, deren Wicklungen bzw. mit dem mindestens einen Konfigurationsschalter steuerbar verbindet oder von diesem trennt. Die Konfigurationsschalter und Trennschalter können gemeinsam als Umschalter ausgestaltet sein. Die Steuerung ist ansteuernd mit dem Konfigurationsschalter und mit dem Trennschalter verbunden.
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Zwischen einem Rotor der elektrischen Maschine und einem Abtrieb des Antriebstrangs ist vorzugsweise eine Kupplung vorgesehen oder es ist dort ein Getriebe vorgesehen, oder beides. Das Getriebe ist steuerbar und weist zumindest zwei Zustände auf, insbesondere mindestens einen Übertragungszustand und einen Freilaufzustand. Ferner ist die Kupplung ansteuerbar ausgestaltet. Die Steuerung ist ansteuernd mit der Kupplung und/oder mit dem Getriebe verbunden. Sofern nur die Kupplung vorgesehen ist, ist die Steuerung mit der Kupplung ansteuernd verbunden. Sofern nur ein Getriebe vorgesehen ist, so ist die Steuerung ansteuernd nur mit dem Getriebe verbunden. Sofern Kupplung und Getriebe vorgesehen sind, ist die Steuerung mit beiden ansteuernd verbunden. Die Steuerung ist eingerichtet, während des Steuerns des Leistungsflusses die Kupplung und/oder das Getriebe in einen Zustand vorzusehen, in dem die elektrische Maschine von dem Abtrieb getrennt ist. Dies gilt insbesondere auch für die Vorbereitung des Leistungsflusses. Wenn zwischen dem Energieübertragungsanschluss und dem Akkumulator Leistung durch die elektrische Maschine fließt, so wird diese von der Steuerung vorzugsweise einem Zustand vorgesehen, in dem die elektrische Maschine von dem Abtrieb getrennt ist. Mit anderen Worten wird in diesem Zustand kein Drehmoment von der elektrischen Maschine an den Abtrieb abgegeben. Mit dem Begriff „drehmomentlos“ bzw. „drehmomentfrei“ wird insbesondere ein Zustand bezeichnet, in dem die elektrische Maschine kein Drehmoment an den Abtrieb abgibt. Dennoch kann in diesem Zustand ein Drehmoment erzeugt werden, das insbesondere weniger als ein Prozent der Normleistung der elektrischen Maschine beträgt, beispielsweise entsprechend einem Reibungsdrehmoment und/oder einem Luftwiderstandsdrehmoment.
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Die elektrische Maschine kann eine permanenterregte Maschine sein. Ferner kann die elektrische Maschine eine Asynchronmaschine sein. Die elektrische Maschine kann eine Gleichstrommaschine sein. Die elektrische Maschine kann zudem permanenterregt oder fremderregt sein. Insbesondere bei permanenterregten Maschinen kann die Steuerung eingerichtet sein, durch entsprechende Ansteuerung des Inverters die elektromotorische Kraft der elektrischen Maschine an den Leistungsfluss anzupassen. Hierbei wird insbesondere eine Differenz zur Spannung des Versorgungsnetzes bzw. zur Spannung am Energieübertragungsanschluss kompensiert. Im Falle einer fremderregten elektrischen Maschine ist die Steuerung vorzugsweise eingerichtet, dessen Erregung zu steuern.
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Der Energieübertragungsanschluss ist insbesondere ein Wechselstromanschluss. Es kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Energieübertragungsanschluss und dem Inverter keine Komponente vorgesehen ist, die eine Spannungsartkonversion (etwa eine Gleichrichtung) oder eine Spannungswandlung ausführt.
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Neben den Größen Spannung, Frequenz, Phase, Leistungsfaktor und/oder Signalform kann als (anzupassende) Betriebsgröße auch die Phasenfolge betrachtet werden. Damit wird gewährleistet, dass sich die elektrische Maschine in eine Richtung dreht, die der Phasenreihenfolge am Energieübertragungsanschluss entspricht.
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Es wird ferner ein Verfahren zum Übertragen elektrischer Leistung zwischen einem stationären Versorgungsnetz und einem Akkumulator eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs beschrieben. Hierbei wird elektrische Leistung durch eine elektrische Maschine des Antriebsstrangs hindurch übertragen, etwa zum Rückspeisen von Energie aus dem Akkumulator in ein stationäres Versorgungsnetz, oder zum Laden des Akkumulators von dem stationären Versorgungsnetz. Während Leistung durch die Maschine hindurch übertragen wird, rotiert diese. Insbesondere ein Inverter, der zwischen der elektrischen Maschine und dem Akkumulator vorgesehen ist, steuert hierbei die elektrische Maschine an, so dass diese rotiert (jedoch im Wesentlichen ohne Drehmomenterzeugung, entsprechend einer Ansteuerung mit einem Wirkanteil des Stroms von im Wesentlichen null). Der Inverter sieht hierbei einen Drehstrom an der elektrischen Maschine vor, der diese zum Rotieren veranlasst. Neben der Filterwicklung der elektrischen Maschine aufgrund ihrer Induktivitäten ergibt sich ein weiterer Filterungseffekt durch die Rotation des Rotors in der elektrischen Maschine.
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Die elektrische Leistung wird hierbei gesteuert, insbesondere deren Phasenlage, deren Frequenz, deren Strom oder deren Spannung, so dass die übertragene Leistung gemäß einer Vorgabe (dieser Größen) eingestellt werden kann. Zum einen kann die Leistung in der Höhe eingestellt werden, und zum anderen kann die Phasenlage, die Frequenz oder der Leistungsfaktor (oder auch die Signalform) des durch die elektrische Maschine übertragenen Signals, mittels dem die Leistung übertragen wird, gemäß einer Vorgabe des Versorgungsnetzes eingestellt werden, wobei insbesondere hierbei die Phasenlage, die Frequenz, der Strom oder die Spannung an die betreffende Größe des Versorgungsnetzes angepasst wird. Eine weitere einzustellende bzw. anzupassende Größe ist die Phasenfolge oder die Signalform.
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Zum einen betrifft die Steuerung der Leistung die Übertragung selbst, und zum anderen eine Vorbereitung des Leistungsflusses, um zu gewährleisten, dass vor einem Verbinden des Antriebsstrangs mit dem stationären Versorgungsnetz die Phasenlage, die Frequenz, der Leistungsfaktor, der Strom und/oder die Spannung des Antriebsstrangs an die betreffende Größe des Versorgungsnetzes angepasst wird, um so beim Verbinden keine Störungen in das Versorgungsnetz zu übertragen.
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Ferner wird durch das Steuern erreicht, dass eine gewünschte Leistung zwischen dem Versorgungsnetz einerseits und dem Antriebsstrang, insbesondere dem Akkumulator, andererseits ausgetauscht wird, wobei diese Vorgaben aus dem Versorgungsnetz stammen können (etwa um eine Überlastung bei der Rückspeisung oder beim Laden dort zu verhindern), und/oder aus dem Antriebsstrang, insbesondere von dem Akkumulator, stammen, um eine Überlastung im Antriebsstrang, insbesondere im Akkumulator zu vermeiden und um eine gewünschte Lade- oder Rückspeiseleistung zu gewährleisten zu können.
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Die Übertragung umfasst das Regeln der elektrischen Maschine mittels eines Ansteuerns eines Inverters, der zwischen der elektrischen Maschine und dem Akkumulator vorgesehen ist. Die Regel umfasst das Regelungsziel, eine vorgegebene Leistung zu übertragen. Ferner kann das Regelungsziel eine vorgegebene Phasenlage, eine vorgegebene Frequenz, eine vorgegebene Spannung und/oder einen vorgegebenen Strom umfassen.
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Das Verfahren kann ferner vorsehen, dass vor dem Übertragen von Leistung die Leistungsübertragung vorbereitet wird. Dies wird erreicht, indem die elektrische Maschine mittels Ansteuern des Inverters (zwischen der elektrischen Maschine und dem Akkumulator), während der Antriebsstrang von dem Versorgungsnetz (noch) getrennt ist, Größen wie Frequenz, Spannung, Strom, Phasenlage, Phasenfolge, Signalform und/oder Leistungsfaktor seitens des Antriebsstrangs an die betreffenden Größen des Versorgungsnetzes herangeführt bzw. gemäß den Größen des Versorgungsnetzes eingestellt werden.
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Zum gesteuerten Trennen bzw. Verbinden wird vorzugsweise eine Netzanschlussschaltung verwendet, die zwischen der elektrischen Maschine und dem Energieübertragungsanschluss vorgesehen ist. Das Regeln der elektrischen Maschine im Rahmen der Vorbereitung wird gemäß einem Regelungsziel ausgeführt, welches darin besteht, zumindest einen Unterschied zwischen dem an gesetzten Enden der Netzanschlussschaltung vorliegenden Betriebsgrößen zu minimieren. Die Betriebsgrößen sind hierbei der Strom, die Spannung, die Phasenlage, die Frequenz, der Leistungsfaktor und/oder die Phasenfolge, gegebenenfalls auch die Signalform.
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Nach dem Vorbereiten, das durch das Erreichen des Regelungsziels, d. h. minimieren des Unterschieds, gekennzeichnet ist, wird die Netzanschlussschaltung geschlossen, d. h. im Allgemeinen wird das Versorgungsnetz mit dem Antriebsstrang verbunden. Es wird, nachdem das Regelungsziel erreicht wird, die elektrische Leistung gemäß einer vorgegebenen Sollleistung übertragen. Nach dem (erfolgreichen) Vorbereiten wird somit die elektrische Leistung gemäß einer vorgegebenen Vorgabe übertragen, wobei die Vorgabe eine Leistungshöhe, ein Strom, eine Spannung, eine Phasenlage, eine Frequenz, ein Leistungsfaktor und/oder eine Phasenfolge wiedergeben kann, gegebenenfalls auch eine Signalform.
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Das Verfahren wird mittels den Elementen und Vorrichtungsmerkmalen des hier beschriebenen Antriebsstrangs ausgeführt. Im Rahmen des Verfahrens wird der Antriebsstrang wie hierin beschrieben verwendet.
- Die 1 zeigt einen Antriebsstrang sowie ein daran angeschlossenes stationäres Versorgungsnetz V und einen daran angeschlossenen Abtrieb A.
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Der Antriebsstrang umfasst einen Akkumulator (B), der über dem Inverter I mit einer elektrischen Maschine M verbunden ist. Die elektrische Maschine M umfasst Wicklungen Wl, W2, W3. Ein Energieübertragungsanschluss L ist über eine Netzanschlussschaltung N mit den Wicklungen der elektrischen Maschine M verbunden. Erste Endungen der Wicklungen W1 bis W3 sind mit dem Inverter verbunden. Die entgegengesetzten zweiten Enden sind mit der Netzanschlussschaltung und insbesondere auch mit den Energieübertragungsanschluss L verbunden.
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Im Fahrbetrieb oder im Rekuperationsbetrieb sind die zweiten Enden der Wicklungen W1 bis W3 miteinander über einen gemeinsamen Sternpunkt verbunden. Die hier beschriebene Ausführungsform zeigt nur beispielhaft eine Sternkonfiguration, wobei die Netzanschlussschaltung auch an die ersten und an die zweiten Enden angeschlossen sein kann, um so eine Dreieckskonfiguration der Wicklungen W1 bis W3 zu ermöglichen, die insbesondere durch die Netzanschlussschaltung in eine Dreieckskonfiguration umgewandelt werden kann. Die Netzanschlussschaltung M ist eingerichtet, die Konfiguration (Dreieck oder Stern) der Wicklungen W1 bis W3 der elektrischen Maschine M gesteuert herzustellen oder auch zu trennen. Im aufgetrennten Fall ist zumindest eine der Wicklungen W1 bis W3 zwischen dem Energieübertragungsanschluss L und dem Inverter I in Reihe geschaltet, wobei zumindest eine der Wicklungen von den anderen Wicklungen getrennt ist. In der 1 ist beispielhaft dargestellt, dass dies für alle Wicklungen W1 bis W3 gelten kann, wobei hierbei die Wicklungen W1 - W3 voneinander getrennt sind. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass nur eine Untergruppe aller Wicklungen, insbesondere nur eine Wicklung, bei aufgehobener Konfiguration in Reihe zwischen dem Inverter I und dem Energieübertragungsanschluss L geschaltet ist.
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Die elektrische Maschine M ist über eine Kupplung K und ein Getriebe G mit dem Abtrieb A verbunden. Das Getriebe G umfasst u. a. einen Freilaufzustand. Es können sowohl die Kupplung als auch das Getriebe (in Reihe) vorgesehen sein, jedoch können auch Ausführungsformen nur die Kupplung oder nur das Getriebe (mit Freilaufzustand) aufweisen. Falls ein Getriebe verwendet wird, welches keinen Freilaufzustand aufweist, so ist die Kupplung K zwischen dem Getriebe und der elektrischen Maschine M geschaltet.
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Die Netzanschlussschaltung N umfasst eine Schaltervorrichtung D, mittels der mindestens eine Konfiguration der elektrischen Maschine M gesteuert hergestellt werden kann, oder aufgelöst werden kann. Die Netzanschlussschaltung umfasst ferner einen ersten Sensor S1, der sich zwischen der Schaltervorrichtung D und der elektrischen Maschine M befindet. Die Netzanschlussschaltung N umfasst ferner einen Sensor S2, der sich zwischen der Schaltervorrichtung D und dem Energieübertragungsanschluss L befindet. Mit anderen Worten ist der Sensor S1 auf der Seite der Netzanschlussschaltung N vorgesehen, die der elektrischen Maschine M zugewandt ist, und der Sensor S2 ist auf der Seite der Netzanschlussschaltung N vorgesehen, die dem Energieübertragungsanschluss L zugewandt ist. Bei offener Netzanschlussschaltung bzw. bei offener Schaltervorrichtung D kann somit der Sensor S2 Betriebsgrößen erfassen, die an dem Energieübertragungsanschluss (und somit auch in dem stationären Versorgungsnetz V) vorgesehen sind. Diese Größen betreffen insbesondere die (effektive) Spannung, den (effektiven) Strom, die Wellenform, die Phasenlage, den Leistungsfaktor, die Frequenz und/oder die Phasenreihenfolge. Der Sensor Sl hat die gleiche Aufgabe, bezieht sich jedoch nicht auf den Energieübertragungsanschluss L oder das Versorgungsnetz V, sondern auf das Leistungssignal, das von dem Inverter I über die elektrische Maschine M vorgesehen wird. Dadurch können die Größen, welcher der Sensor Sl erfasst, durch entsprechende Regelung oder Steuerung des Inverters I an die betreffenden (aktuellen) Größen angepasst werden, die der Sensor S2 erfasst. Dies betrifft sowohl das Vorbereiten des Leistungsflusses von Akkumulator B an das Versorgungsnetz V als auch einen bestehenden Leistungsfluss zwischen diesen Komponenten.
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Eine Steuerung S steuert den Inverter an. Zum einen dient die Steuerung zur Steuerung bzw. Regelung des Leistungsflusses und dessen Betriebsgrößen und zum anderen dient die Steuerung S zum Einstellen der Betriebsgrößen am Sensor Sl bei der Vorbereitung des Leistungsflusses. Die Steuerung S kann ferner eingerichtet sein, den Inverter zum Fahrbetrieb bzw. Rekuperationsbetrieb anzusteuern, wobei hierfür auch eine weitere Steuerung vorgesehen sein kann, die insbesondere mit der dargestellten Steuerung S in Verbindung steht. In diesem Fall kann eine übergeordnete Steuerung beide Steuereinheiten ansteuern.
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Die Steuereinheit S kann ferner eingerichtet sein, die Kupplung K und/oder das Getriebe G anzusteuern. Falls das Getriebe G einen Freilaufzustand aufweist, so kann die Kupplung K entfallen. Falls das Getriebe G keinen Freilaufzustand aufweist, so ist die Kupplung K vorgesehen. Während dem Vorbereiten des Leistungsflusses und während des Leistungsflusses selbst steuert die Steuerung S die Kupplung K bzw. das Getriebe G in einen offenen Zustand an, so dass die elektrische Maschine M rotieren kann. Das Rotieren der elektrischen Maschine ist im Wesentlichen drehmomentfrei und ist insbesondere nur durch Reibungsverluste und/oder Luftwiderstandsverluste des Drehmoments gekennzeichnet.
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Die Steuerung S ist eingerichtet, zur Vorbereitung des Leistungsflusses zunächst die Netzanschlussschaltung bzw. deren Vorrichtung D im geöffneten Zustand vorzusehen, um die elektrische Maschine LM von dem Energieübertragungsanschluss L abzutrennen. Ferner steuert die Steuerung S die Kupplung K bzw. das Getriebe G in offenen Zustand an. Zur Vorbereitung steuert die Steuerung S den Inverter I an, die Maschine M (die sich üblicherweise in der Vorbereitung im Stillstand befindet) in Rotation zu versehen. Die Steuerung S steuert den Inverter hierbei derart an, dass dieser die elektrische Maschine M auf eine Drehzahl bringt, bei der die Frequenz der Spannung an Sensor Sl der Frequenz am Energieübertragungsanschluss L (und somit am Sensor S2) entspricht. Dies bezieht sich ebenso insbesondere auch auf die Phasenlage, d. h. auf die absolute Phase sowie ggf. auch auf die Phasenfolge, d. h. auf die Drehrichtung der elektrischen Maschine M.
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Nachdem die Drehzahl erreicht wurde, bei der die Frequenz des Signals an den zweiten Enden der Wicklungen Sl bis S3 der Frequenz am Energieübertragungsanschluss L (die Phasenlage sowie auch die Phasenfolge) entspricht, steuert die Steuerung S die Netzanschlussschaltung an, die elektrische Maschine M mit dem Energieübertragungsanschluss L zu verbinden. Wenn mit anderen Worten der Unterschied der Betriebsgrößen zwischen dem Energieübertragungsanschluss L und den Betriebsgrößen an den Enden der Wicklungen der elektrischen Maschine M, die dem Energieübertragungsanschluss zugewandt sind, minimiert ist, vorzugsweise im Wesentlichen auf null, wird die Verbindung (vorgesehen von der Netzanschlussschaltung N) zwischen elektrischer Maschine M und dem Energieübertragungsanschluss L angeschlossen. Es ergibt sich der gewünschte Leistungsfluss. Der Leistungsfluss wird von der Steuerung S gesteuert, insbesondere geregelt, wobei insbesondere die Größen Leistung, Phasenlage, Leistungsfaktor, Signalform, Strom und/oder Spannung betrifft. Die Vorgaben hierzu können von einer übergeordneten Steuerung stammen, die der Steuerung S übergeordnet ist, und welche den Energietransfer regelt. Die übergeordnete Steuerung kann seitens des Antriebsstrangs vorliegen, kann seitens des stationären Versorgungsnetzes liegen, oder kann Vorgaben von diesen beiden Komponenten miteinander verknüpfen. Eine Batteriemanagementeinheit des Akkumulators B kann ferner mit der Steuerung S verbunden sein, um den Leistungsfluss an Vorgaben der Batteriemanagementeinheit anzupassen. Wenn hier beispielsweise eine Überlastung der Batterie droht, etwa ein Überstrom oder eine zu hohe Temperatur, so kann dies von der Batteriemanagementeinheit S weitergegeben werden, so dass diese entweder den Leistungsfluss unterbricht oder verringert.
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Die Steuerung S umfasst einen Eingang, der zur besseren Übersicht nicht dargestellt ist, und der mit den Sensoren S1 und S2 verbunden ist. Dieser Eingang hat ferner mit der Batteriemanagementeinheit der Batterie B (ebenso nicht zur besseren Darstellung nicht dargestellt) verbunden sein.
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Der Energieübertragungsanschluss L kann dreiphasig sein, wie dargestellt, kann jedoch auch nur zweiphasig sein, wobei in diesem Fall die gestrichelte Phase nicht realisiert ist. Dadurch wird einphasiges Laden ermöglicht. Vorzugsweise der Energieübertragungsanschluss jedoch drei Phasen, um so einen Drehstromanschluss zu bilden. Das stationäre Versorgungsnetz kann von einer Ladestation gebildet werden, kann von einem Inselnetz gebildet werden oder ähnliches. Das Versorgungsnetz V ist ein Wechselstrom-Versorgungsnetz. Dementsprechend ist der Energieübertragungsanschluss ebenso für Wechselstrom ausgelegt. Die Steuerung S ist in gleicher Weise eingerichtet, durch Ansteuern des Inverters I an dem Energieübertragungsanschlusses ein Wechselstromsignal vorzusehen bzw. ist eingerichtet, den Inverter I derart anzusteuern, dass dieser über den Energieübertragungsanschluss (und die elektrische Maschine M) ein Wechselstromsignal aufnehmen und als Gleichspannungssignal B abgeben kann. Zwischen dem Inverter I und der Batterie B kann ein DC/DC-Wandler vorgesehen sein, etwa falls eine Spannungsanpassung erforderlich ist. Dies ist der Fall, wenn die Nennspannung der Batterie (etwa 600 Volt oder 800 Volt) größer ist als die Spannung, die der Inverter I anhand des am Energieübertragungsanschluss L vorliegenden Wechselstromsignals erzeugen kann.
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Der Netzanschluss N kann neben der Schaltervorrichtung D ein Überspannungsschutz und ggf. einen weiteren Filter umfassen. Ferner kann die Netzanschlussschaltung N eine Kühlung umfassen, insbesondere für den genannten Filter. Die Schaltervorrichtung D realisiert zwei Aspekte, nämlich die (aufhebbare) Konfiguration der Wicklung W1 bis W3 der elektrischen Maschine M und die steuerbare Trennung zwischen dem Energieübertragungsanschluss L und der elektrischen Maschine M. Somit umfasst die Schaltervorrichtung D zum einen Schalterelemente zum gesteuerten Definieren der Motorkonfiguration (etwa Stern, Dreieck oder aufgelöst) und umfasst zum anderen Schalterelemente zum gesteuerten Anbinden der elektrischen Maschine an dem Energieübertragungsanschluss L. Diese Schalterelemente, welche unterschiedliche Funktionen haben, können von gemeinsamen Umschaltern realisiert werden. Die Schalterelemente können Halbleiterelemente sein, etwa Transistoren, die Feldeffekttransistoren, insbesondere MOSFETs, oder können als elektromechanische Schalter vorgesehen sein, wobei ggf. auch Transistoren oder TRIACs in Betracht kommen.
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Anstatt des Sensors S2 kann auch die Steuerung S mit einer Empfängerschaltung ausgestattet sein, die eingerichtet ist, von dem stationären Versorgungsnetz aktuelle Betriebsparameter zu empfangen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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